«Кастрюлька», открывающая тайны Вселенной: что такое реактор ПИК
В России заработал самый мощный источник нейтронов в мире: научно-исследовательский реакторный комплекс ПИК. С помощью этой очень маленькой атомной станции вблизи Санкт-Петербурга ученые попробуют понять, как же устроена наша Вселенная.
Чудо, отложенное на 40 лет
8 февраля, в День российской науки, научно-исследовательский реакторный комплекс ПИК в Гатчине был выведен на энергетический режим работы. Это действительно важное событие не только для отечественной, но и для мировой науки. А начиналось все довольно давно.
Реактор на территории Петербургского института ядерной физики им. Константинова (ПИЯФ) — один из старейших долгостроев нашей страны. Его спроектировали еще в 1970-х годах и с 1976 по 1986 год построили больше чем наполовину, пока не случилась авария на Чернобыльской АЭС. После этого нормы безопасности, предъявляемые к ядерным реакторам, были изменены, так что потребовался серьезный пересмотр проекта. Пока проект дорабатывали и получали разрешение на дальнейшее строительство, грянула перестройка и для всей науки настали трудные времена. Финансирование прекратилось, проект стоял на паузе почти 15 лет. Так что его запуск в 2021 году — это отложенное на 40 лет научное чудо.
Сегодня ПИК отвечает самым современным требованиям безопасности, рассказал каналу «Наука» заместитель директора НИЦ «Курчатовский институт» ПИЯФ по научной работе, д. ф.-м. н. Владимир Воронин: «Понятно, что строительство такой установки в непосредственной близости от населенных пунктов находится под самым серьезным контролем».
«Применяются все возможные и невозможные методы защиты. Не буду вдаваться в технические подробности, но могу сказать, что рассматриваются все варианты возможных событий, вплоть до падения метеорита»
Он напомнил, что, когда запускали Большой адронный коллайдер, люди всерьез боялись, что образуется черная дыра и «всех нас туда затянет». Ничего подобного с ПИК не произойдет, заверил Воронин.
Энергией реактора ПИК трудно отопить даже достаточно большой многоквартирный дом, а система контроля безопасности на нем превосходит аналогичные системы многих современных АЭС.
Повысятся ли удои?
Обывателей всегда интересует практические результаты таких амбициозных проектов. Но удои от этого точно не повысятся, шутит Воронин. Зато можно будет исследовать любые материалы, будь то биологические объекты, лекарства или новые химические соединения со специфическими свойствами. «Точность экспериментов будет улучшена в 100 раз по сравнению с нынешними, — отметил специалист ПИЯФ. — Увеличение точности любых таких экспериментов позволяет продвигаться вглубь научных знаний. Без исследования внутренней структуры материалов невозможно предсказать, что получится и какие у него будут микроскопические свойства». Воронин отметил, что несколько самых простых экспериментов уже ведутся, хотя реактор запущен пока только на 10% от заявленной мощности. Выход ПИК на полную мощность — 100 МВт — намечен на конец 2022 — начало 2023 года.
Реактор ПИК уникален тем, что он доставляет нейтроны в виде выведенных наружу пучков. Как объяснил Воронин нашему каналу,
Активная зона реактора занимает всего 50 л — получается такая «кастрюлька». И в этой кастрюльке будет постоянно выделяться 100 МВт тепловой мощности
То есть это приблизительно 2 МВт на литр, в в некоторых точках — до 6 МВт на литр. Это огромная величина. Для реакторов такого типа она является рекордной, достигая 5 х 1015 нейтронов на сантиметр в секунду. Далее эти нейтроны выводятся по специальным нейтроноводам в исследовательскую зону, где либо уже изучаются они сами, либо их используют для самых разнообразных исследований. Ведь нейтронное излучение пронзает вещество, подобно рентгену, только картинка получается интереснее.
«Нейтрон — это элементарная частица, которая формирует всю материю, из которой мы состоим, — объясняет Владимир Воронин. — Нейтроны — это почти половина нас самих. Поэтому, исследуя их свойства, мы сможем определять и свойства потенциально новых взаимодействий. Попутно мы будем отвечать на многие вопросы: о том, как мы существуем, почему наш мир такой, какой он есть, и почему он сформировался именно таким. И в том числе появятся какие-то открытия по темной материи и, возможно, темной энергии».
В целом исследования на ПИК делятся на две большие группы. Одна из них — это изучение структуры вещества и его динамики с помощью нейтронов, которые используется в качестве инструмента или исследовательского зонда. «Мы используем нейтронное излучение как прожектор, который освещает нам микромир, — пояснил Воронин. — Ведь атомарную структуру можно исследовать лишь с помощью излучения, длина которого сравнима с межатомными расстояниями».
Второе направление важно для развития фундаментальной физики элементарных частиц — это исследование свойств самого нейтрона. «Теперь, когда можно измерять все в 100 раз точнее, мы сможем изучить потенциально новые взаимодействия, которые формируют всю нашу Вселенную, — рассказал специалист. — Это сейчас очень актуально: поиск новых сил и взаимодействий, потому что есть некоторые плохо объединяемые современной моделью физики явления в мире».
Кроме нейтронов, реактор станет источником и других продуктов деления: от гамма-квантов до загадочных нейтрино — единственных пойманных частиц неуловимой темной материи. С помощью ПИК ученые попытаются шагнуть за рамки стандартной модели и решить «проклятые вопросы физики». «Например, одной из ключевых характеристик нейтрона является его электрический дипольный момент — он ищется уже очень давно, порядка более 50 лет, и это такая ключевая характеристика, которая может позволить нам объяснить то, что называется барионной асимметрией Вселенной. А барионная асимметрия заключается в том, что нас больше, чем "антинас"», — поясняет одну из задач Воронин.
Есть право и лево, есть прошлое и будущее, есть частицы и античастицы. Любое разделение симметрично. Эти идеи укрепились в теории, уравнениях, философии и мировоззрении людей, но если бы все шло по этому пути, то в первые же мгновения существования мира все частицы встретились бы со своими античастицами. А что от этого бывает, все, наверное, знают из фантастических книг и фильмов: аннигиляция. Вжух — и все превращается в свет! Не было бы никаких химических элементов, звезд, планет, людей и котов на протяжении 14 млрд лет… А они есть! Почему — науке до сих пор неизвестно, именно эта проблема называется барионной асимметрией Вселенной, благодаря которой мы все существуем.
ПИК — наш ответ Большому адронному коллайдеру?
С точки зрения исследования физических законов это похожие машины. Потому что исследуются одни и те же физические законы, только принципиально разными методами, рассказал Воронин.
«Если Большой адронный коллайдер — это сверхвысокие энергии с точки зрения элементарных частиц и взаимодействий, то здесь сверхнизкие. Если там эта единица измерения энергии частиц — тераэлектронвольт, то здесь это 10–3 и 10–7 электронвольт, то есть 20 порядков по величине разница в энергиях. Тем не менее физика одна и та же везде, и законы физики одни и те же. Зная законы при таких энергиях, мы можем прогнозировать, что будет при тех энергиях, на которых работает Большой адронный коллайдер».
Когда есть сверхвысокие энергии, элементарные частицы рождаются просто естественным путем, потому что энергии достаточно. А на ПИК все по-другому: элементарные частицы вокруг нейтронов тоже рождаются, но на очень короткое время, и они меняют свойства нейтрона. «Исследуя свойства нейтрона, можно говорить про те же самые частицы, которые рождаются на Большом адронном коллайдере, — поясняет Воронин. — Но что касается основного направления — исследования рассеяния нейтронов, получения информации о структуре вещества и его свойствах, изменениях этих свойств, то здесь никакой аналогии нет. Потому что на Большом адронном коллайдере такие эксперименты делать нельзя, он вообще для этого не предназначен. Тут мы не конкурируем, тут мы в разных плоскостях совсем лежим».
В фильме «Научные сенсации. Погоня за сверхплотностью» на канале «Наука» приводится интересное сравнение, которое сделал нобелевский лауреат Ричард Фейнман. Представьте, что инопланетяне занесли вам какой-то сложный объект, который нужно изучить, — например, часы. Что делает большой ускоритель? Он берет пару таких часов, разгоняет их друг навстречу другу, разбивает в хлам. И мы смотрим, какие осколки из него летят, и думаем: а как же оно работало-то? Как это сложить обратно, чтобы оно заработало и получилось то, что было?
«Нейтронная, или низкоэнергетичная, физика действует совсем иначе, — объясняет разницу Владимир Воронин. — Она эти часы не разбивает. Она к ним прислушивается, взвешивает, смотрит на них и оценивает, как они себя ведут в целом, без разрушения. И то и другое нужно. И то и другое позволяет получить полную картину». Возможно, очень скоро мы получим с помощью ПИК новую картину нашей Вселенной.
Как поймать темную материю
Что ждет науку в 2021 году?
От квазаров до Байкала: где ищут нейтрино высоких энергий?
